Assessment of water quality and quantity for agricultural requirements during drought periods in the Maipo River basin, Chile

Abstract

En Latinoamérica, los Andes han sido identificados como una región clave que será afectada por el cambio climático. Se ha proyectado bajo temperaturas más calidas, un incremento en la severidad y frecuencia de las sequías, intensificando el estrés existente en la disponibilidad de agua y los sistemas agrícolas, particularmente en ambientes semi-áridos. Los efectos de la sequía en la cantidad de agua son bien conocidos, sin embargo las consecuencias sobre la calidad de agua aún no son totalmente reconocidas. La degradación de la calidad de agua debido a los bajos niveles de agua, podría provocar estrés adicional a la agrícultura de riego. El propósito de este estudio fue investigar los impactos de la sequía en la cantidad y calidad de agua para la agrícultura durante los periodos de sequía en la cuenca del río Maipo, situada en el semi-árido Chile central. El índice de precipitación estandarizada (SPI) y el índice de caudal estandarizado (SSI) se utilizaron para caracterizar sequías meteorológicas (precipitación por debajo de lo normal) e hidrológicas (caudal por debajo de lo normal) para el periodo 1985-2015. Se utilizaron coeficientes de correlación entre los índices para evaluar la relación de la sequía meteorológica e hidrológica. Considerando que las sequías hidrológicas pueden afectar la calidad de agua, estudiamos las correlaciones entre la descarga diaria y los parámetros básicos de la calidad de agua superficial. El método de nivel de umbral se utilizó para comparar los parámetros fisicoquímicos durante los periodos de sequía hidrológica con la regulación chilena establecida para agua de usos agrícolas. La caracterización de sequías meteorologícas (SPI) e hidrológicas (SSI) indicó una tendencia negativa en la mayor parte de la cuenca, con una reducción general en los caudales de los ríos (SSI), más aguda en los últimos cinco años (2010-2015). La mayor correlación de SSI se encontró con el periodo de acumulación SPI-12, lo cual denota la dependencia del caudal al año anterior de precipitación. Se encontró una relación negativa significativa (p <0.05) entre la descarga y la conductividad electrica y los iones mayores en la mayor parte de la cuenca. Las estaciones de descarga situadas en los distritos de riego superaron los umbrales establecidos en estos parámetros durante los periodos de sequía hidrológica, lo que podría significar impactos potenciales en la agrícultura de riego de la región.

In Latin America, the Andes have been identified as a key region that will be affected by climate change. It is projected that, under warmer temperatures, an increase in the severity and frequency of drought will occur, intensifying the existing stress on water availability and agricultural systems, particularly in semi-arid environments. Drought impacts on water quantity are well known, however, the consequences on water quality are not fully recognized yet. The degradation of water quality due to low water levels could trigger additional stress in irrigated agriculture. The purpose of this study was to investigate drought impacts on water quantity and quality for agriculture during drought periods in the Maipo river basin, located in the semi-arid region of central Chile. The Standardized Precipitation Index (SPI) and the Standardized Streamflow Index (SSI) were used to characterize meteorological (below-normal precipitation) and hydrological droughts (below-normal streamflow) in the period 1985-2015. Correlation coefficients between the indices were used to assess the meteorological and hydrological drought relationship. Considering that hydrological droughts can impact surface water quality, we study correlations between daily discharge and basic surface water quality parameters. The threshold level method was used to compare physicochemical parameters during hydrological drought periods with the established Chilean regulation for agricultural water uses. Meteorological (SPI) and Hydrological (SSI) drought characterization indicated a negative trend in most of the basin, with a general reduction in the river flows (SSI) more acute in the last five years (2010-2015). The highest correlation of SSI was found in the accumulation period SPI-12, indicating the dependence of the streamflow to the previous year of precipitation. A significant (p <0.05) negative relationship between discharge and electrical conductivity and major ions, were found in most of the basin. Discharge stations located in the irrigation districts, exceeded the established thresholds in these parameters during hydrological drought periods, which could mean potential impacts on irrigated agriculture of the region.

In Lateinamerika wurden die Anden als eine vom Klimawandel betroffene Schlüsselregion identifiziert. Es wird prognostiziert, dass unter wärmeren Temperaturen eine Zunahme der Schwere und Häufigkeit von Dürren auftreten wird, was die bestehende Belastung der Wasserverfügbarkeit und der landwirtschaftlichen Systeme, insbesondere in halbtrockenen Umgebungen, verstärkt. Die Auswirkungen von Dürre auf den Wasserpegel sind bekannt, aber die Folgen für die Wasserqualität sind bis jetzt noch nicht vollständig erkannt. Die Beeinflussung der Wasserqualität durch niedrige Wasserstände könnte eine zusätzliche Belastungen für die Bewässerungslandwirtschaft darstellen. Der Zweck dieser Studie war es zu untersuchen, welche Auswirkungen Dürreperioden auf den Wasserpegel und die Wasserqualität für landwirtschaftliche Anforderungen in dem Wassereinzugsgebiets des Flusses Maipo, in der semi-ariden Region von Zentral-Chile haben. Der standardisierte Niederschlagsindex (SPI) und der standardisierte Streamflow Index (SSI) wurden verwendet, um meteorologische (unterhalb der normalen Niederschlagsmenge) und hydrologische Dürren (unterhalb der normalen Durchflussmenge) im Zeitraum 1985-2015 zu charakterisieren. Korrelationskoeffizienten zwischen den Indizes wurden verwendet, um die Beziehung zwischen meteorologischer und hydrologischer Dürre zu beurteilen. In Anbetracht dessen, dass hydrologische Dürren die Wasserqualität beeinflussen können, wurden Korrelationen zwischen der täglichen Abflussmenge und den grundlegenden Oberflächenwasserqualitätsparametern beurteilt. Die Schwellenwertmethode wurde verwendet, um physikochemische Parameter während der hydrologischen Dürreperioden mit der chilenischen Regulierung für landwirtschaftliche Wasserverwendungen zu vergleichen. Meteorologische (SPI) und Hydrologische (SSI) Charakterisierungen von Dürre zeigen eine negative Tendenz in den meisten Wassereinzugsgebieten, mit einer allgemeinen Reduzierung der Flussströme (SSI), vor allem während der letzten fünf Jahre (2010-2015). Die höchste Korrelation von SSI wurde in der Akkumulationszeit SPI-12 gefunden, was die Abhängigkeit des Stromflusses zum vorherigen Niederschlagsdatum anzeigt. Eine signifikante (p <0,05) negative Beziehung zwischen Entladung und elektrischer Leitfähigkeit und großen Ionen wurde in den meisten Bereichen des Wassereinzugsgebiets gefunden. Entladestationen, die

Schwellenwerte bei diesen Parametern während der hydrologischen Dürreperioden, was potenzielle Auswirkungen auf die Bewässerungslandwirtschaft der Region bedeuten könnte.